KR20120023547A - Solid-state imaging element and camera system - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은, CMOS 이미지 센서로 대표되는 고체 촬상 소자 및 카메라 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a solid-state imaging device and a camera system represented by a CMOS image sensor.
이 고체 촬상 소자는, 광전 변환부와, 축적된 전하를 전압으로 변환하는 전하 전압 변환부, 또한 전하 전압 변환부의 전압을 판독하기 위한 증폭 회로를 갖는 단위 화소에 의해 구성된다.This solid-state image sensor is comprised by the unit pixel which has a photoelectric conversion part, the charge voltage conversion part which converts the accumulated charge into voltage, and the amplification circuit for reading the voltage of the charge voltage conversion part.
이와 같은 고체 촬상 소자에 있어서, 광의 조사면을 트랜지스터가 배치되는 면의 반대측(=이면)으로 하고, 또한 복수의 반도체층을 적층하여 화소의 출력 신호를 판독함으로써, 집적도나 병렬도를 향상하는 기술이 제안되어 있다.In such a solid-state imaging device, a technique of improving the degree of integration or parallelism by setting the irradiation surface of light to the opposite side (= back side) of the surface on which the transistor is arranged and stacking a plurality of semiconductor layers to read the output signal of the pixel. Is proposed.
이 기술은, 예를 들면 일본 특개2006-049361호 공보에 개시되어 있다.This technique is disclosed, for example, in Japanese Patent Laid-Open No. 2006-049361.
도 1은, 일본 특개2006-049361호 공보에 개시된 고체 촬상 소자의 기본적 구성을 도시하는 도면이다.1 is a diagram illustrating a basic configuration of a solid-state imaging device disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2006-049361.
도 1은, 수광부측의 제 1의 반도체층(1-1)에 화소 셀(2)이 어레이 형상으로 배열되고, 그 어레이부의 양측에 행 주사 회로(3-1, 3-2)가 배치되고, 또한 화소 셀(2)의 행 배열에 대응하여 화소 구동 회로(4-1, 4-2)가 배치되어 있다.In Fig. 1, the
도 2는, 4개의 트랜지스터로 구성되는 CMOS 이미지 센서의 화소의 한 예를 도시하는 도면이다.2 is a diagram illustrating an example of a pixel of a CMOS image sensor composed of four transistors.
이 화소 셀(2)은, 예를 들면 포토 다이오드(PD)로 이루어지는 광전 변환부(광전 변환 소자)(21)를 갖는다.This
그리고, 화소 셀(2)은, 이 1개의 광전 변환부(21)에 대해, 전송 트랜지스터(22), 리셋 트랜지스터(23), 증폭 트랜지스터(24), 및 선택 트랜지스터(25)의 4개의 트랜지스터를 능동 소자로서 갖는다.The
광전 변환부(21)는, 입사광을 그 광량에 응한 양의 전하(여기서는 전자)로 광전 변환한다.The
전송 트랜지스터(22)는, 광전 변환부(21)와 출력 노드로서의 플로팅 디퓨전(FD)의 사이에 접속되고, 전송 제어선(LSEL)을 통하여 그 게이트(전송 게이트)에 제어 신호인 전송 신호(TRG)가 주어진다.The
이에 의해, 전송 트랜지스터(22)는, 광전 변환부(21)에서 광전 변환된 전자를 플로팅 디퓨전(FD)에 전송한다.As a result, the
리셋 트랜지스터(23)는, 전원 라인(LVDD)과 플로팅 디퓨전(FD)의 사이에 접속되고, 리셋 제어선(LRST)을 통하여 그 게이트에 제어 신호인 리셋 신호(RST)가 주어진다.The
이에 의해, 리셋 트랜지스터(23)는, 플로팅 디퓨전(FD)의 전위를 전원 라인(LVDD)의 전위로 리셋한다.As a result, the
플로팅 디퓨전(FD)에는, 증폭 트랜지스터(24)의 게이트가 접속되어 있다. 증폭 트랜지스터(24)는, 선택 트랜지스터(25)를 통하여 출력 신호선(6)에 접속되고, 화소부 외의 정전류원과 소스 팔로워를 구성하고 있다.The gate of the amplifying
이 증폭 트랜지스터(24)와 선택 트랜지스터(25)에 의해 증폭 회로(7)가 형성된다.The amplifying
그리고, 선택 제어선(LSEL)을 통하여 어드레스 신호에 응한 제어 신호인 선택 신호(SEL)가 선택 트랜지스터(25)의 게이트에 주어지고, 선택 트랜지스터(25)가 온 한다.Then, the selection signal SEL, which is a control signal corresponding to the address signal via the selection control line LSEL, is given to the gate of the
선택 트랜지스터(25)가 온 하면, 증폭 트랜지스터(24)는 플로팅 디퓨전(FD)의 전위를 증폭하여 그 전위에 응한 전압을 출력 신호선(6)에 출력한다.When the
도 3은, CMOS 이미지 센서의 화소 공유의 한 예를 도시하는 도면이다.3 is a diagram illustrating an example of pixel sharing of a CMOS image sensor.
이 구성은, 각각 광전 변환 소자(21-1 내지 21-4)와 전송 트랜지스터(22-1 내지 22-4)를 갖는 4개의 화소 셀(2-1 내지 2-4)이 플로팅 디퓨전(FD), 리셋 트랜지스터(23), 및 증폭 회로(7)를 공유하고 있다.In this configuration, the four pixel cells 2-1 to 2-4 each having the photoelectric conversion elements 21-1 to 21-4 and the transfer transistors 22-1 to 22-4 are floating diffusions FD. The
고체 촬상 소자에서는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 제 1 반도체층(1-1)에 형성된 하나의 광전 변환부(21)에 하나의 증폭 회로(7)를 갖는 도 2의 화소 셀 또는 복수의 광전 변환부(21)에 하나의 증폭 회로(7)를 갖는 도 2의 화소 셀 등이 적용된다.In the solid-state imaging device, as shown in FIG. 1, the pixel cells of FIG. 2 or a plurality of pixel cells having one
그리고, 일본 특개2006-049361호 공보의 고체 촬상 소자에서는, 화소 셀(2)에 대해, 적층된 다른 제 2 반도체층(1-2)에 신호를 전파시키는 적층 접속 단자(마이크로 범프나 스루홀 비어)(8)를 접속하는 것이 특징이다.In the solid-state imaging device of JP-A-2006-049361, a laminated connection terminal (micro bump or through hole via) for propagating a signal to another second semiconductor layer 1-2 stacked on the
즉, 신호 판독의 증폭 회로(7)에 각각의 적층 접속 단자(8)가 접속된다.That is, each laminated
도 2 및 도 3의 예에서는, 제 2의 반도체층(1-2)에 소스 팔로워의 정전류원으로서 기능하는 바이어스 트랜지스터(부하 MOS)(9)가 형성되어 있다.In the example of FIG. 2 and FIG. 3, the bias transistor (load MOS) 9 which functions as a constant current source of a source follower is formed in the 2nd semiconductor layer 1-2.
상기한 선행 기술은 어떻게 하여도, 단위 화소의 크기가 적층 접속 단자(8)의 크기보다 작은 경우, 각 단위 화소마다 적층 접속 단자(8)를 배치하는 것이 곤란해진다.In any of the foregoing prior arts, when the size of the unit pixel is smaller than that of the
이 때문에, 도 4에 도시하는 바와 같이 복수의 화소 셀의 증폭 회로의 출력이, 적층 접속 단자에 접속된 출력 신호선을 공유하는 것이 생각된다.For this reason, as shown in FIG. 4, it is thought that the output of the amplification circuit of a some pixel cell shares the output signal line connected to the laminated connection terminal.
도 5는, 도 4의 고체 촬상 소자의 주요부 회로의 한 예를 도시하는 도면이다.FIG. 5 is a diagram illustrating an example of main circuits of the solid-state imaging device of FIG. 4.
이 예에서는, 복수의 화소 셀(2)의 판독 증폭 회로(7)의 출력 단자가 동일 출력 신호선(6)에 접속되고, 그 접속 노드가 적층 접속 단자(8)를 통하여 제 2의 반도체층(1-2)에 접속된다.In this example, the output terminals of the read-
화소 셀(2)은, 도 2에 도시하는 바와 같은 복수의 광전 변환부(PD)를 가지며, 증폭 회로(7)를 공유하여도 상관없다.The
상술한 바와 같이, 증폭 회로(7)는 증폭 트랜지스터(24) 외에 선택 트랜지스터(25)도 포함하고 있고, 선택 트랜지스터(25)를 통하여 출력 신호선(6)에 접속된다.As described above, the
단, 리셋 트랜지스터(23)에 의해 비선택 화소의 FD의 전압을 낮게 설정하고, 증폭 트랜지스터(24)를 OFF 상태로 하는 구동에 의해, 선택 트랜지스터(25)를 생략하는 것도 가능하다.However, it is also possible to set the voltage of the FD of the unselected pixels low by the
그런데, 도 4 및 도 5와 같은 구성에서는, 어느 한 화소가 행 주사 회로(3)에 의해 선택되고, 적층 접속 단자(8)를 통하여 신호를 출력할 때에, 동일한 적층 접속 단자(8)에 접속되어 있는 다른 화소의 증폭 회로(7)의 출력 단자의 기생 용량도 구동할 필요가 있다.By the way, in the structure similar to FIG. 4 and FIG. 5, when one pixel is selected by the
즉, 증폭 트랜지스터(24)의 소스 단자의 기생 용량, 또는 선택 트랜지스터(25)의 소스 단자의 기생 용량, 또한 배선의 기생 용량이 부하 용량으로서 더해진다.That is, the parasitic capacitance of the source terminal of the amplifying
적층 접속 단자(8)를 포함하는 출력 신호선(6)의 기생 용량이 커짐으로써, 화소의 선택 후에 출력 신호가 목적하는 값에 수속하기 까지의 시간이 길어지고, 고속화의 장애가 된다.By increasing the parasitic capacitance of the
보다 고속의 판독 동작이 필요한 경우는, 예를 들면 바이어스 트랜지스터(9)의 게이트에 인가되는 바이어스 전압(Vb)을 변경하여, 증폭 회로(7)에 흘리는 전류를 늘리는 것이 생각되지만, 전류 증가에 비례하여 소비 전력의 증대를 수반하여 버린다.When a higher speed read operation is required, for example, it is thought to change the bias voltage Vb applied to the gate of the
본 발명은, 적층 구조에서의 화소의 출력 신호선의 구동의 고속화 및 저소비 전력화를 도모하는 것이 가능한 고체 촬상 소자 및 카메라 시스템을 제공하는 것에 있다.The present invention is to provide a solid-state imaging device and a camera system capable of achieving high speed and low power consumption of driving of an output signal line of a pixel in a laminated structure.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 고체 촬상 소자가 제공되는데, 상기 고체 촬상 소자는: 적층된 복수의 반도체층과; 상기 복수의 반도체층을 전기적으로 접속하기 위한 복수의 적층 접속부와; 광전 변환부와 신호 출력부를 갖는 화소 셀이 2차원 형상으로 배열된 화소 어레이부; 및 상기 화소 셀의 신호 출력부에 의한 신호가 전파되는 출력 신호선를 포함하며, 상기 복수의 반도체층은, 적어도 제 1의 반도체층과 제 2의 반도체층을 포함하고, 상기 제 1의 반도체층에서, 복수의 상기 화소 셀은 2차원 형상으로 배열되고, 상기 복수의 화소 셀로 형성되는 화소군의 신호 출력부는 상기 적층 접속부로부터 배선되는 출력 신호선을 공유하고, 상기 출력 신호선은, 상기 적층 접속부로부터 분기되는 개소의 전부 또는 일부에서, 임의의 분기된 각 출력 신호선을 분리할 수 있는 분리부를 갖는 것을 특징으로 한다.According to an embodiment of the present invention, there is provided a solid-state imaging device, the solid-state imaging device comprising: a plurality of stacked semiconductor layers; A plurality of laminated connection portions for electrically connecting the plurality of semiconductor layers; A pixel array unit in which pixel cells having a photoelectric conversion unit and a signal output unit are arranged in a two-dimensional shape; And an output signal line through which a signal by the signal output unit of the pixel cell propagates, wherein the plurality of semiconductor layers include at least a first semiconductor layer and a second semiconductor layer, wherein in the first semiconductor layer, The plurality of pixel cells are arranged in a two-dimensional shape, and a signal output portion of the pixel group formed of the plurality of pixel cells shares an output signal line wired from the laminated connection portion, and the output signal line is a branch branched from the laminated connection portion. In all or part of, characterized in that it has a separation unit capable of separating any branched output signal line.
본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 카메라 시스템이 제공되는데, 상기 카메라 시스템은: 고체 촬상 소자와; 상기 촬상 소자에 피사체상을 결상하는 광학계; 및 상기 촬상 소자의 출력 화상 신호를 처리하는 신호 처리 회로를 포함하며, 상기 고체 촬상 소자는, 적층된 복수의 반도체층과, 상기 복수의 반도체층을 전기적으로 접속하기 위한 복수의 적층 접속부와, 광전 변환부와 신호 출력부를 갖는 화소 셀이 2차원 형상으로 배열된 화소 어레이부와, 상기 화소 셀의 신호 출력부에 의한 신호가 전파되는 출력 신호선를 포함하며, 상기 복수의 반도체층은, 적어도 제 1의 반도체층과 제 2의 반도체층을 포함하고, 상기 제 1의 반도체층에서, 복수의 상기 화소 셀은 2차원 형상으로 배열되고, 상기 복수의 화소 셀로 형성되는 화소군의 신호 출력부는, 상기 적층 접속부로부터 배선되는 출력 신호선을 공유하고, 상기 출력 신호선은, 상기 적층 접속부로부터 분기되는 개소의 전부 또는 일부에서, 임의의 분기된 각 출력 신호선을 분리할 수 있는 분리부를 갖는 것을 특징으로 한다.According to another embodiment of the present invention, a camera system is provided, comprising: a solid-state imaging device; An optical system for forming an image of a subject on the imaging device; And a signal processing circuit for processing an output image signal of the imaging device, wherein the solid-state imaging device includes a plurality of stacked semiconductor layers, a plurality of stacked connection portions for electrically connecting the plurality of semiconductor layers, and photoelectricity. And a pixel array section in which pixel cells having a converter section and a signal output section are arranged in a two-dimensional shape, and an output signal line through which signals from the signal output section of the pixel cell are propagated, wherein the plurality of semiconductor layers include at least a first And a signal output portion of the pixel group formed of the plurality of pixel cells in the first semiconductor layer, wherein the plurality of pixel cells are arranged in a two-dimensional shape and are formed of the plurality of pixel cells. Output signal lines to be wired from each other, and the output signal lines are each branched out at any or all of a portion branched from the laminated connection portion. It characterized in that it has a separation unit capable of separating the output signal line.
본 발명에 의하면, 적층 구조에서의 화소의 출력 신호선의 구동의 고속화 및 저소비 전력화를 도모할 수 있다.According to the present invention, it is possible to speed up the driving of the output signal lines of the pixels in the stacked structure and to reduce the power consumption.
도 1은 일본 특개2006-049361호 공보에 개시된 고체 촬상 소자의 기본적 구성을 도시하는 도면.
도 2는 4개의 트랜지스터로 구성되는 CMOS 이미지 센서의 화소의 한 예를 도시 도면.
도 3은 CMOS 이미지 센서의 화소 공유의 한 예를 도시하는 도면.
도 4는 복수의 화소 셀의 증폭 회로의 출력이, 적층 접속 단자에 접속된 출력 신호선을 공유하는 고체 촬상 소자의 구성예를 도시하는 도면.
도 5는 도 4의 고체 촬상 소자의 주요부 회로의 한 예를 도시하는 도면.
도 6은 본 발명의 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(고체 촬상 소자)의 구성예를 도시하는 도면.
도 7은 본 실시 형태에 관한 4개의 트랜지스터로 구성되는 CMOS 이미지 센서의 화소의 한 예를 도시하는 도면.
도 8은 본 발명의 제 1의 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(고체 촬상 소자)의 제 1의 반도체층에서의 화소, 적층 접속 단자, 및 분리부의 배치예를 도시하는 도면.
도 9는 도 8의 CMOS 이미지 센서(고체 촬상 소자)의 주요부 회로의 한 예를 도시하는 도면.
도 10은 본 제 2의 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(고체 촬상 소자)의 주요부 회로의 한 예를 도시하는 도면.
도 11은 본 발명의 제 3의 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(고체 촬상 소자)의 제 1의 반도체층에서의 화소, 적층 접속 단자, 및 분리부의 배치예를 도시하는 도면.
도 12는 도 11의 CMOS 이미지 센서(고체 촬상 소자)의 주요부 회로의 한 예를 도시하는 도면.
도 13은 본 발명의 제 4의 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(고체 촬상 소자)의 제 1의 반도체층에서의 화소, 적층 접속 단자, 및 분리부의 배치예를 도시하는 도면.
도 14는 제 4의 실시 형태에 관한 화소, 적층 접속 단자, 및 분리부의 배치예를 구체적으로 설명하기 위한 도면.
도 15는 분기점의 분리부의 스위치와 더미 트랜지스터가 주기성을 유지하도록 소자 배치되어 있는 예를 도시하는 도면.
도 16은 분기점의 분리부의 스위치와 더미 트랜지스터가 주기성을 유지하도록 소자 배치되고, 또한, 더미 트랜지스터가 소정의 기능을 갖는 예를 도시하는 도면.
도 17은 4×4의 화소 셀로 적층 접속 단자를 공유하는 경우의 레이아웃 예를 도시하는 도면.
도 18은 본 발명의 제 5의 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(고체 촬상 소자)의 제 1의 반도체층과 제 2의 반도체층의 적층 구조예를 도시하는 도면.
도 19는 본 발명의 제 6의 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(고체 촬상 소자)의 제 1의 반도체층과 제 2의 반도체층의 적층 구조예를 도시하는 도면.
도 20은 본 발명의 제 7의 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(고체 촬상 소자)의 제 1의 반도체층과 제 2의 반도체층의 적층 구조예를 도시하는 도면.
도 21은 본 발명의 제 8의 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(고체 촬상 소자)의 제 1의 반도체층과 제 2의 반도체층과 제 3의 반도체층의 적층 구조예를 도시하는 도면.
도 22는 본 발명의 제 9의 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(고체 촬상 소자)의 제 1의 반도체층과 제 2의 반도체층의 적층 구조예를 도시하는 도면.
도 23은 본 발명의 실시 형태에 관한 고체 촬상 소자가 적용되는 카메라 시스템의 구성의 한 예를 도시하는 도면.1 is a diagram showing a basic configuration of a solid-state imaging device disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2006-049361.
2 shows an example of a pixel of a CMOS image sensor composed of four transistors.
3 is a diagram illustrating an example of pixel sharing of a CMOS image sensor.
4 is a diagram illustrating a configuration example of a solid-state imaging device in which outputs of amplification circuits of a plurality of pixel cells share an output signal line connected to a multilayer connection terminal.
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a main part circuit of the solid-state imaging device of FIG. 4. FIG.
6 is a diagram showing an example of the configuration of a CMOS image sensor (solid-state image sensor) according to the embodiment of the present invention.
7 is a diagram illustrating an example of a pixel of a CMOS image sensor composed of four transistors according to the present embodiment.
FIG. 8 is a diagram showing an arrangement example of pixels, stacked connection terminals, and separators in a first semiconductor layer of a CMOS image sensor (solid-state image sensor) according to the first embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a main part circuit of the CMOS image sensor (solid-state image sensor) in FIG. 8. FIG.
FIG. 10 is a diagram showing an example of a main part circuit of a CMOS image sensor (solid-state image sensor) according to the second embodiment. FIG.
FIG. 11 is a diagram showing an arrangement example of pixels, stacked connection terminals, and separators in the first semiconductor layer of the CMOS image sensor (solid-state image sensor) according to the third embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 12 is a diagram illustrating an example of a main part circuit of the CMOS image sensor (solid-state image sensor) in FIG. 11.
Fig. 13 is a diagram showing an arrangement example of pixels, stacked connection terminals, and separators in the first semiconductor layer of the CMOS image sensor (solid-state image sensor) according to the fourth embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a diagram for specifically describing an arrangement example of a pixel, a multilayer connection terminal, and a separation unit according to the fourth embodiment. FIG.
Fig. 15 is a diagram showing an example in which elements are arranged so that a switch and a dummy transistor of a separation part of a branch point maintain periodicity;
Fig. 16 is a diagram showing an example in which elements are arranged such that the switch and the dummy transistor of the separation portion of the branch point maintain periodicity, and the dummy transistor has a predetermined function.
Fig. 17 is a diagram showing a layout example in the case of sharing a laminated connection terminal with 4x4 pixel cells.
Fig. 18 is a diagram showing a laminated structure example of a first semiconductor layer and a second semiconductor layer of a CMOS image sensor (solid-state image sensor) according to the fifth embodiment of the present invention.
Fig. 19 is a diagram showing a laminated structure example of a first semiconductor layer and a second semiconductor layer of a CMOS image sensor (solid-state image sensor) according to the sixth embodiment of the present invention.
Fig. 20 is a diagram showing an example of the lamination structure of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer of the CMOS image sensor (solid-state image sensor) according to the seventh embodiment of the present invention.
Fig. 21 is a diagram showing a laminated structure example of a first semiconductor layer, a second semiconductor layer, and a third semiconductor layer of the CMOS image sensor (solid-state image sensor) according to the eighth embodiment of the present invention.
Fig. 22 is a diagram showing a laminated structure example of a first semiconductor layer and a second semiconductor layer of a CMOS image sensor (solid-state image sensor) according to the ninth embodiment of the present invention.
23 is a diagram illustrating an example of a configuration of a camera system to which a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention is applied.
이하, 본 발명의 실시의 형태를 도면과 연계하여 설명한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, embodiment of this invention is described in connection with drawing.
또한, 설명은 다음 순서로 행한다.In addition, description is given in the following order.
1. 고체 촬상 소자의 전체 구성예1. Overall structure example of a solid-state image sensor
2. 적층 구조를 채용하는 특징적 구성의 기본 개념2. Basic Concept of Characteristic Configurations Employing Laminated Structures
3. 제 1의 실시 형태3. First embodiment
4. 제 2의 실시 형태4. Second Embodiment
5. 제 3의 실시 형태5. Third embodiment
6. 제 4의 실시 형태6. Fourth embodiment
7. 제 5의 실시 형태7. Fifth embodiment
8. 제 6의 실시 형태8. Sixth embodiment
9. 제 7의 실시 형태9. Seventh embodiment
10. 제 8의 실시 형태10. Eighth Embodiment
11. 제 9의 실시 형태11. Ninth Embodiment
12. 제 10의 실시 형태(카메라 시스템의 구성예)
12. Tenth embodiment (Configuration example of camera system)
<1. 고체 촬상 소자의 전체 구성예><1. Example of Overall Configuration of Solid-State Imaging Device>
도 6은, 본 발명의 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(고체 촬상 소자)의 구성예를 도시하는 도면이다.6 is a diagram illustrating a configuration example of a CMOS image sensor (solid-state image sensor) according to the embodiment of the present invention.
본 CMOS 이미지 센서(100)는, 화소 어레이부(110), 화소 구동부로서의 행 선택 회로(Vdec)(120), 및 판독 회로(AFE)(130)를 갖는다.The
본 실시 형태에서는, 한 예로서 광의 조사면을 트랜지스터가 배치된 면의 반대측(=이면)으로 하고, 또한 복수의 반도체층을 적층하여 화소의 출력 신호를 판독하도록 형성된다.In this embodiment, as an example, the light irradiation surface is formed on the opposite side (= back side) of the surface on which the transistor is disposed, and a plurality of semiconductor layers are stacked to read out the output signal of the pixel.
이 반도체층의 적층 구조에 대응한 특징적인 구성에 관해서는 후에 상세히 기술한다.The characteristic structure corresponding to the laminated structure of this semiconductor layer is explained in full detail later.
화소 어레이부(110)는, 복수의 화소 셀(110A)이 M행×N열의 2차원 형상(매트릭스 형상)으로 배열되어 있다.In the
도 7은, 본 실시 형태에 관한 4개의 트랜지스터로 구성되는 CMOS 이미지 센서의 화소의 한 예를 도시하는 도면이다.7 is a diagram illustrating an example of a pixel of a CMOS image sensor composed of four transistors according to the present embodiment.
이 화소 셀(110A)은, 예를 들면 포토 다이오드(PD)로 이루어지는 광전 변환부(광전 변환 소자)(111)를 갖는다.This
그리고, 화소 셀(110A)은, 이 1개의 광전 변환부(111)에 대해, 전송 트랜지스터(112), 리셋 트랜지스터(113), 증폭 트랜지스터(114), 및 선택 트랜지스터(115)의 4개의 트랜지스터를 능동 소자로서 갖는다.The
광전 변환부(111)는, 입사광을 그 광량에 응한 양의 전하(여기서는 전자)로 광전 변환한다.The
전송 트랜지스터(112)는, 광전 변환부(111)와 출력 노드로서의 플로팅 디퓨전(FD)의 사이에 접속되고, 전송 제어선(LSEL)을 통하여 그 게이트(전송 게이트)에 제어 신호인 전송 신호(TRG)가 주어진다.The
이에 의해, 전송 트랜지스터(112)는, 광전 변환부(111)에서 광전 변환된 전자를 플로팅 디퓨전(FD)에 전송한다.As a result, the
리셋 트랜지스터(113)는, 전원 라인(LVREF)과 플로팅 디퓨전(FD)의 사이에 접속되고, 리셋 제어선(LRST)을 통하여 그 게이트에 제어 신호인 리셋 신호(RST)가 주어진다.The
이에 의해, 리셋 트랜지스터(113)는, 플로팅 디퓨전(FD)의 전위를 전원 라인(LVREF)의 전위로 리셋한다.As a result, the
플로팅 디퓨전(FD)에는, 증폭 트랜지스터(114)의 게이트가 접속되어 있다. 증폭 트랜지스터(114)는, 선택 트랜지스터(115)를 통하여 출력 신호선(116)에 접속되고, 화소부 외의 정전류원과 소스 팔로워를 구성하고 있다.The gate of the amplifying
이 증폭 트랜지스터(114)와 선택 트랜지스터(115)에 의해 신호 출력부로서의 증폭 회로(117)가 형성된다.The amplifying
그리고, 선택 제어선(LSEL)을 통하여 어드레스 신호에 응한 제어 신호인 선택 신호(SEL)가 선택 트랜지스터(115)의 게이트에 주어지고, 선택 트랜지스터(115)가 온 한다.Then, the selection signal SEL, which is a control signal corresponding to the address signal via the selection control line LSEL, is given to the gate of the
선택 트랜지스터(115)가 온 하면, 증폭 트랜지스터(114)는 플로팅 디퓨전(FD)의 전위를 증폭하여 그 전위에 응한 전압을 출력 신호선(116)에 출력한다.When the
출력 신호선(116)을 통하여, 각 화소으로부터 출력된 전압은, 판독 회로(130)에 출력된다.The voltage output from each pixel via the
이들의 동작은, 예를 들면 전송 트랜지스터(112), 리셋 트랜지스터(113), 및 선택 트랜지스터(115)의 각 게이트가 행 단위로 접속되어 있기 대문에, 1행분의 각 화소에 관해 동시에 행하여진다.These operations are performed simultaneously with respect to each pixel for one row because the gates of the
상술한 바와 같이, 증폭 회로(117)는 증폭 트랜지스터(114) 외에 선택 트랜지스터(115)도 포함하고 있고, 선택 트랜지스터(115)를 통하여 출력 신호선(116)에 접속된다.As described above, the
단, 리셋 트랜지스터(113)에 의해 비선택 화소의 FD의 전압을 낮게 설정하고, 증폭 트랜지스터(114)를 OFF 상태로 하는 구동에 의해, 선택 트랜지스터(115)를 생략하는 것도 가능하다.However, it is also possible to set the voltage of the FD of the unselected pixel low by the
화소 어레이부(110)에 배선되어 있는 리셋 제어선(LRST), 전송 제어선(LSEL), 및 선택 제어선(LSEL)이 1조(組)로서 화소 배열의 각 행 단위로 배선되어 있다.The reset control line LRST, the transmission control line LSEL, and the selection control line LSEL, which are wired to the
이들의 리셋 제어선(LRST), 전송 제어선(LSEL), 및 선택 제어선(LSEL)은, 행 선택 회로(120)에 의해 구동된다.The reset control line LRST, the transmission control line LSEL, and the selection control line LSEL are driven by the row select circuit 120.
행 선택 회로(120)는, 화소 어레이부(110) 중의 임의의 행에 배치된 화소의 동작을 제어한다. 행 선택 회로(120)는, 제어선(LSEL, LRST, LTRG)을 통하여 화소를 구동 제어하는 화소 구동부로서 기능한다.The row selection circuit 120 controls the operation of the pixels arranged in any row in the
판독 회로(130)는, 행 선택 회로(120)의 구동에 의해 선택되고 또는 선행 선택된 판독 행의 각 화소 셀(110A)로부터의 출력 신호선(116)을 통하여 출력되는 신호(VSL)에 대해 소정의 처리를 행하고, 예를 들면 신호 처리 후의 화소 신호를 일시적으로 보존한다.The read circuit 130 is predetermined with respect to the signal VSL selected by the drive of the row select circuit 120 or outputted through the
판독 회로(130)는, 출력 신호선(116)을 통하여 출력되는 신호를 샘플 홀드하는 샘플 홀드 회로를 포함하는 회로 구성을 적용 가능하다.The read circuit 130 is applicable to a circuit configuration including a sample hold circuit for sample holding a signal output through the
또는 판독 회로(130)는, 샘플 홀드 회로를 포함하고, CDS(상관 이중 샘플링) 처리에 의해, 리셋 노이즈나 증폭 트랜지스터(114)의 임계치 편차 등, 화소 고유의 고정 패턴 노이즈를 제거하는 기능을 포함하는 회로 구성이 적용 가능하다.Alternatively, the readout circuit 130 includes a sample hold circuit, and includes a function of removing pixel-specific fixed pattern noise such as reset noise and threshold deviation of the amplifying
또한, 판독 회로(130)는, 아날로그 디지털(AD) 변환 기능을 갖게 하여, 신호 레벨을 디지털 신호로 하는 구성을 적용 가능하다.In addition, the read circuit 130 has an analog-to-digital (AD) conversion function, and a configuration in which the signal level is a digital signal can be applied.
이하에, 본 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(100)에서의 반도체층의 적층 구조에 대응한 특징적인 구성에 관해 상세히 기술한다.Below, the characteristic structure corresponding to the laminated structure of the semiconductor layer in the
<2. 적층 구조를 채용하는 특징적 구성의 기본 개념><2. Basic Concept of Characteristic Configurations Employing Laminated Structures>
우선, 적층 구조를 채용하는 특징적 구성의 기본 개념에 관해 설명한다.First, the basic concept of the characteristic structure which adopts a laminated structure is demonstrated.
본 CMOS 이미지 센서(고체 촬상 소자)(100)는, 기본적으로, 적층된 복수의 반도체층이, 복수개의 적층 접속 단자(적층 접속부)로 전기적으로 접속되어 있다.In the CMOS image sensor (solid-state imaging device) 100, a plurality of stacked semiconductor layers is basically electrically connected to a plurality of stacked connection terminals (stacked connections).
제 1의 반도체층에, 광전 변환부(111)와 신호 출력부를 갖는 단위 화소 셀(110A)이 2차원 배열되어 있다.In the first semiconductor layer, the
복수의 화소 셀로 구성되는 화소군의 신호 출력부가, 적층 접속 단자로부터 배선되는 출력 신호선(116)을 공유한다.The signal output section of the pixel group composed of the plurality of pixel cells shares the
그리고, 출력 신호선(116)이, 적층 접속 단자로부터 분기되는 개소의 전부 또는 일부에서, 임의의 분기된 각 출력 신호선(116)을 분리할 수 있는 분리부를 갖는다.And the
보다 구체적으로는, 적층 접속 단자에 복수의 증폭 트랜지스터를 포함하는 증폭 회로(117)의 출력이 접속되고, 적층 접속 단자와 증폭 회로(117) 사이의 분기점의 일부, 또는 전부에, 출력 신호선(116)을 분리하는 분리부를 갖는다.More specifically, the output of the amplifying
본 CMOS 이미지 센서(고체 촬상 소자)(100)는, 예를 들면 트랜지스터 및 배선이 배치되는 면과 반대에 광조사면이 있다.The CMOS image sensor (solid-state image sensor) 100 has a light irradiation surface on the opposite side to the surface where transistors and wirings are arranged, for example.
본 CMOS 이미지 센서(100)는, 출력 신호를 적층된 제 1의 반도체층과 다른 반도체층에 적층 접속 단자를 통하여 전파시키는 경우, 적층 접속 단자의 배치 자유도가 높고, 또한, 소수(小數)라면 광전 변환부의 축소 없이 트랜지스터를 화소 배열 내에 추가 배치할 수 있다.When the
상기 이점을 활용하여, 적층 접속 단자로부터 각 단위 화소에의 배선이 분기되는 노드에서, 각 분기 배선을 분리할 수 있는 스위치 등의 분리부를 구비함으로써, 각 화소의 신호를, 증폭 회로(117)를 통하여 판독할 때의 실질적인 부하 용량을 저감하는 것이 가능해진다.Taking advantage of the above advantages, at a node where the wiring from the stacked connection terminals to each unit pixel is divided, a separation unit such as a switch capable of separating the respective branch wirings can be used to provide a signal for each pixel. Through this, it is possible to reduce the actual load capacity at the time of reading.
본 실시 형태에서, 적층 접속 단자는, 적층 접속 단자에 접속되는 화소군 중앙 부근에 배치하는 것을 특징으로 한다.In this embodiment, the laminated connection terminal is disposed near the center of the pixel group connected to the laminated connection terminal.
또한, 적층 접속 단자는, 배치 가능한 적층 접속 단자 사이의 거리를 충족시키는 범위에서, 적층 접속 단자에 접속되는 화소군 중앙 부근에 배치함으로써, 분리부에서 분리되는 각 배선의 기생 용량을 균등하게 분할하는 것이 가능하다.In addition, the multilayer connection terminals are arranged in the vicinity of the center of the pixel group connected to the multilayer connection terminals in a range that satisfies the distance between the stackable connection terminals, thereby evenly dividing the parasitic capacitances of the respective wirings separated by the separation unit. It is possible.
이에 의해, 각 화소의 신호를, 증폭 회로(117)를 통하여 판독할 때의 실질적인 부하 용량을 최소화하는 것이 가능해진다.Thereby, it becomes possible to minimize the substantial load capacity at the time of reading the signal of each pixel via the
본 실시 형태에서, 상기 분기점은, 분기점 이후에 접속되는 화소군 중앙 부근에 배치하는 것을 특징으로 한다.In the present embodiment, the branch point is arranged near the center of the pixel group connected after the branch point.
또한, 분기점이, 분기점 이후에 접속되는 화소군 중앙 부근에 배치함으로써, 분리부에서 분리되는 각 배선의 기생 용량을, 보다 균등하게 분할하는 것이 가능하다.In addition, by arranging the branching point in the vicinity of the center of the pixel group connected after the branching point, it is possible to divide the parasitic capacitance of each wiring separated by the separating section more evenly.
이에 의해, 각 화소의 신호를, 증폭 회로(117)를 통하여 판독할 때의 실질적인 부하 용량을 최소화하는 것이 가능하게 되어 있다.Thereby, it becomes possible to minimize the substantial load capacity at the time of reading the signal of each pixel via the
본 실시 형태에서, 분기점에 배치된 분리부가, 배치적인 주기성을 갖도록 분리부가 배치되지 않은 영역에 분리부와 같은 소자를 더미 배치하는 것을 특징으로 한다.In the present embodiment, it is characterized in that the separator disposed at the branch point dummyly arranges an element such as the separator in a region where the separator is not arranged so as to have a batch periodicity.
이에 의해, 화소 및 회로의 레이아웃 주기성을 유지하고, 촬상 특성이나 트랜지스터의 동작 특성이 균일화되고, 고정 패턴 노이즈 등의 화질 열화를 회피하는 것이 가능하게 되어 있다.As a result, it is possible to maintain the layout periodicity of the pixels and the circuit, to uniformize the imaging characteristics and the operating characteristics of the transistors, and to avoid deterioration in image quality such as fixed pattern noise.
본 실시 형태에서, 2차원 배열된 화소군을 동일한 적층 접속 단자에 접속한다.In this embodiment, the pixel group arranged in two dimensions is connected to the same laminated connection terminal.
열이나 행방향뿐만 아니라, 2차원 배열된 화소군을 동일한 적층 접속 단자에 접속함으로써, 적층 접속 단자에 접속되는 화소수가 같더라도, 적층 접속 단자로부터 가장 먼 화소까지의 거리가 최소화된다.By connecting not only the column and row directions but also two-dimensionally arranged pixel groups to the same stacked connection terminals, even if the number of pixels connected to the stacked connection terminals is the same, the distance from the stacked connection terminals to the farthest pixel is minimized.
이에 의해, 본 실시 형태에서는, 화소마다에서의 기생 저항에 의한 판독 전압의 전압 강하를 균일화하는 것이 가능하게 되어 있다.As a result, in this embodiment, it is possible to equalize the voltage drop of the read voltage due to the parasitic resistance for each pixel.
일반적인 화소의 출력 신호의 판독 회로로서, 화소 내의 증폭 트랜지스터(114)와, 출력 신호선(116)에 접속된 바이어스 트랜지스터에 의한 정전류원으로 구성되는, 소스 팔로워 회로를 예로서 들 수 있다.As a reading circuit of the output signal of a general pixel, the source follower circuit comprised from the amplifying
일정 전류로 출력 신호선(116)의 기생 용량을 방전하기 때문에, 특히 용량 성분이 출력의 수속 시간에 지배적이기 때문에, 용량을 분리함으로써 비례적으로 고속화, 또는 저전력화를 도모하는 것이 가능해진다.Since the parasitic capacitance of the
한편으로, 배선의 시정수가 아니라 용량 방전이 지배적이기 때문에, 저항 성분에 의해 수속 시간을 지배적으로 열화시키는 일이 없고, 분리부로서의 스위치의 추가에 의한 오버헤드가 거의 없는 것도 특징이다.On the other hand, since the capacitor discharge, rather than the time constant of the wiring, is dominant, there is no dominant deterioration of the convergence time due to the resistance component, and there is also a feature that there is little overhead due to the addition of a switch as a separation part.
한편으로, 출력 신호선(116)의 저항 성분에서는, 균일성이 중시된다. 소스 팔로워 회로는, 입력 전압이 증폭 트랜지스터(114)의 소스 단자에 출력된다.On the other hand, the uniformity is important in the resistance component of the
이 때문에, 증폭 트랜지스터(114)로부터 출력 단자인 적층 접속 단자까지의 배선 저항과, 전류원인 부하 MOS(바이어스 트랜지스터)에서 발생시킨 일정 전류와의 곱(積)만큼, 적층 접속 단자에서의 출력 전압에 오프셋이 걸린다.Therefore, the output voltage at the multilayer connection terminal is multiplied by the product of the wiring resistance from the amplifying
오프셋 전압은 상관 이중 샘플링 등의 CDS부로 용이하게 캔슬할 수 있지만, 화소마다 크게 다르면, 출력 단자 이후의 아날로그?디지털 변환 회로 등의 아날로그 신호 처리 회로에서의 입력 가능한 전압 범위에 충분한 여유가 필요해진다.The offset voltage can be easily canceled by a CDS unit such as correlated double sampling, but if it differs greatly from pixel to pixel, a sufficient margin is required for an input voltage range in an analog signal processing circuit such as an analog-to-digital conversion circuit after the output terminal.
본 실시 형태에서는, 분기점에서 분리부 수단인 스위치가, 분리된 각 출력 신호선(116)에 부가되기 때문에, 출력 신호선(116)의 저항 성분의 균일성을 손상시키는 일이 없는 것도 특징이다.In this embodiment, since the switch which is a separating part means is added to each
다음에, 구체적인 구성예에 관해 설명한다.Next, a specific structural example is demonstrated.
<3. 제 1의 실시 형태><3. First embodiment>
도 8은, 본 발명의 제 1의 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(고체 촬상 소자)의 제 1의 반도체층에서의 화소, 적층 접속 단자, 및 분리부의 배치예를 도시하는 도면이다.FIG. 8 is a diagram showing an arrangement example of pixels, stacked connection terminals, and separation units in the first semiconductor layer of the CMOS image sensor (solid-state image sensor) according to the first embodiment of the present invention.
도 9는, 도 8의 CMOS 이미지 센서(고체 촬상 소자)의 주요부 회로의 한 예를 도시하는 도면이다.9 is a diagram illustrating an example of a main part circuit of the CMOS image sensor (solid-state image sensor) in FIG. 8.
본 제 1의 실시 형태의 CMOS 이미지 센서(100A)에서, 제 1의 반도체층(200)에 화소 셀(110A)이 어레이 형상으로 배열되어 있다. 그 화소 어레이부(110)의 양측에 행 주사 회로(121-1, 121-2)가 배치되고, 또한 화소 셀(110A)의 행 배열에 대응하여 화소 구동 회로(122-1, 122-2)가 배치되어 있다.In the
본 제 1의 실시 형태에서, 화소 셀(110A)의 증폭 회로(117)는, 열방향에서 출력 신호선(116)을 공유하여 적층 접속 단자(118)에 접속된다.In the first embodiment, the
적층 접속 단자(118)로부터 각 화소 셀의 증폭 회로(117)까지의 사이에서, 출력 신호선(116)이 분기되는 개소에 출력 신호선(116)의 분리부(140)를 갖는다.The
도 8의 화소 어레이부(110)는, 화소 셀이 6×6의 매트릭스 형상으로 배치되어 있다.In the
본 제 1의 실시 형태에서, 적층 접속 단자(118)의 배치 위치는, 제조 가능한 적층 접속 단자 사이의 최소 거리를 충족시키는 범위에서, 접속되는 복수의 화소 셀(110A)의 화소군 중앙에 배치되는 것이 바람직하다.In this 1st Embodiment, the arrangement position of the
이 경우, 이상적으로는 도 8의 화소 어레이에서는, 각 열(CL0 내지 CL5)에서, 적층 접속 단자(118)는 3행째와 4행째의 화소 셀의 형성 위치 사이, 즉, 각 열의 중앙에 배치되는 것이 바람직하다.In this case, ideally in the pixel array of Fig. 8, in each column CL0 to CL5, the
중앙에 배치를 할 수가 없는 경우는, 도 8과 같이 배치 가능한 범위에서 중앙 부근에 배치하는 것이 바람직하다.When arrangement | positioning in the center is not possible, it is preferable to arrange | position in the vicinity of center in the range which can be arrange | positioned like FIG.
도 8에서는, 짝수 열(LC0, LC2, LC4)에서는, 적층 접속 단자(118)는 4행째와 5행째의 화소 셀의 형성 위치 사이, 즉, 배치 가능한 범위에서 중앙 부근에 배치되어 있다.In Fig. 8, in the even columns LC0, LC2, LC4, the
홀수 열(CL1, CL3, CL5)에서는, 적층 접속 단자(118)는 2행째와 3행째의 화소 셀의 형성 위치 사이, 즉, 배치 가능한 범위에서 중앙 부근에 배치되어 있다.In the odd-numbered columns CL1, CL3, CL5, the
도 8 및 도 9의 예에서는, 분리부(140)는, 적층 방향에서 이간하여 적층 접속 단자(118)와 겹쳐지도록 배치되어 있다.In the example of FIG. 8 and FIG. 9, the separating
또한, 도 9에서는, 간단화를 위해 4개의 화소 셀(110A-1 내지 110A-4)을 포함하고, 적층 접속 단자(118) 및 분리부(140)는 그 화소군의 거의 중앙에 배치되어 있는 예를 나타내고 있다.In addition, in FIG. 9, for the sake of simplicity, four
도 9에 도시하는 바와 같이, 분기점에서의 분리부(140)는, 스위치(141)에 의해 구성되고, 출력 신호선(116)을 2개의 출력 신호선(116-1, 116-2)으로 분리하고 있다.As shown in FIG. 9, the separating
출력 신호선(116-1)은 화소 셀(110A-1, 110A-2)의 증폭 회로(117)에 접속되고, 출력 신호선(116-2)은 화소 셀(110A-3, 110A-4)의 증폭 회로(117)에 접속되어 있다.The output signal line 116-1 is connected to the amplifying
분리부(140)를 구성하는 스위치(141)는, 단자(a)와 단자(b)가 쌍을 이루고, 단자(c)와 단자(d)가 쌍을 이룬다.In the
단자(a)가 적층 접속 단자(118)에 접속되고, 단자(b)가 한쪽의 출력 신호선(116-1)에 접속되어 있다.Terminal a is connected to
단자(c)가 적층 접속 단자(118)에 접속되고, 단자(d)가 다른쪽의 출력 신호선(116-2)에 접속되어 있다.The terminal c is connected to the
이와 같은 구성을 갖는 스위치(141)는, 도시하지 않은 제어계에 의한 전환 신호(SSW)에 의해 단자(a)와 단자(b)의 접속, 비접속 상태, 및 단자(c)와 단자(d)의 접속, 비접속 상태가 전환된다.The
스위치(141)는 NMOS 트랜지스터나 PMOS 트랜지스터의 어느 한쪽, 또는 양쪽을 병렬로 연결하는 등 간이한 회로로 실현할 수 있다.The
도 9의 예에서는, 제 2의 반도체층(210)에 소스 팔로워의 정전류원으로서 기능하는 바이어스 트랜지스터(부하 MOS)(119)가 형성되어 있다.In the example of FIG. 9, a bias transistor (load MOS) 119 that functions as a constant current source of a source follower is formed in the
바이어스 트랜지스터(119)는, 바이어스 전압(Vb)이 게이트에 입력되어 일정 전류를 출력 신호선(116)으로부터 흘리는 기능을 갖는다.The
이 바이어스 트랜지스터(119)는, 제 1의 반도체층(200)측에 배치되어도 상관없다.The
<4. 제 2의 실시 형태><4. Second Embodiment>
도 10은, 본 제 2의 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(고체 촬상 소자)의 주요부 회로의 한 예를 도시하는 도면이다.FIG. 10: is a figure which shows an example of the principal part circuit of the CMOS image sensor (solid-state image sensor) which concerns on this 2nd Embodiment.
본 제 2의 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(100B)가 제 1의 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(100A)와 다른 점은, 분리부(140)에 의해 출력 신호선(116)의 분기수가 2가 아니라 그 이상(여기서는 3분기)인 것에 있다.The
CMOS 이미지 센서(100B)에서, 출력 신호선(116)은 3개의 분할된 출력 신호선(116-1, 116-2, 116-3)으로 분기되어 있다.In the
그리고, 화소 셀(110A-5, 110A-6)의 증폭 회로(117)가 출력 신호선(116-3)에 접속되어 있다.The
스위치(140B)는, 도 9의 구성에 더하여, 또한 단자(e)와 단자(f)의 쌍을 포함한다.In addition to the configuration of FIG. 9, the
그리고, 단자(e)가 적층 접속 단자(118)에 접속되고, 단자(f)가 출력 신호선(116-3)에 접속되어 있다.The terminal e is connected to the
이와 같은 구성을 갖는 스위치(141B)는, 도시하지 않은 제어계에 의한 전환 신호(SSW)에 의해 단자(a)와 단자(b)의 접속, 비접속 상태, 및 단자(c)와 단자(d)의 접속, 비접속 상태, 및 단자(e)와 단자(f)의 접속, 비접속 상태가 전환된다.The
<5. 제 3의 실시 형태><5. Third Embodiment>
도 11은, 본 발명의 제 3의 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(고체 촬상 소자)의 제 1의 반도체층에서의 화소, 적층 접속 단자, 및 분리부의 배치예를 도시하는 도면이다.FIG. 11 is a diagram showing an arrangement example of pixels, stacked connection terminals, and separation units in the first semiconductor layer of the CMOS image sensor (solid-state image sensor) according to the third embodiment of the present invention.
도 12는, 도 11의 CMOS 이미지 센서(고체 촬상 소자)의 주요부 회로의 한 예를 도시하는 도면이다.FIG. 12 is a diagram illustrating an example of a main part circuit of the CMOS image sensor (solid-state image sensor) in FIG. 11.
본 제 3의 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(100C)는, 화소의 판독 주사 방향(도 11에서는 종방향)으로 수직한 배치(도 11에서는 횡방향)의 화소도 포함하여, 적층 접속 단자(118)를 공유하는 화소군을 구성하고 있다.The
도 11의 예에서는, 0열째와 1열째, 2열째와 3열째, 4열째와 5열째의 각 2열에서 하나의 적층 접속 단자(118)를 공유하고 있다.In the example of FIG. 11, one
그리고, 열 사이에 배치되어 있는 짝수측 분리부(140-1)의 출력으로부터 연장하여 마련된 출력선(L141)과, 홀수 열측의 분리부(140-2)의 출력으로부터 짝수 열측으로 되돌리도록 배선된 출력선(L142)이, 제 1의 분기점에 배치된 분리부(140-3)에 접속되어 있다.And it is wired so that it may return to the even column side from the output line L141 provided extending from the output of the even side separation part 140-1 arrange | positioned between the columns, and the output of the separation part 140-2 of the odd column side. The output line L142 is connected to the separating part 140-3 disposed at the first branch point.
분리부(140-0, 140-1)는 제 2의 분기점을 형성하고 있고, 기본적으로 제 1의 실시 형태와 같은 구성을 갖고 있다.Separation parts 140-0 and 140-1 form a second branching point, and basically have the same configuration as in the first embodiment.
제 1의 분기점의 분리부(140-3)를 구성하는 스위치(141-3)는, 단자(g)와 단자(h)가 쌍을 이루고, 단자(i)와 단자(j)가 쌍을 이룬다.In the switch 141-3 constituting the separation section 140-3 of the first branch point, the terminal g and the terminal h are paired, and the terminal i and the terminal j are paired. .
단자(g)가 적층 접속 단자(118)에 접속되고, 단자(h)가 한쪽의 출력선(L141)에 접속되어 있다.The terminal g is connected to the
단자(i)가 적층 접속 단자(118)에 접속되고, 단자(j)가 다른쪽의 출력선(L142)에 접속되어 있다.The terminal i is connected to the
이와 같은 구성을 갖는 스위치(141-3)는, 도시하지 않은 제어계에 의한 전환 신호(SSW3)에 의해 단자(g)와 단자(h)의 접속, 비접속 상태, 및 단자(i)와 단자(j)의 접속, 비접속 상태가 전환된다.The switch 141-3 having such a configuration is connected to the terminal g and the terminal h by a switching signal SSW3 by a control system (not shown), the non-connected state, and the terminal i and the terminal ( j) connected and disconnected states are switched.
제 3의 실시 형태에서는, 적층 접속 단자(118)로부터 최초에 분기되는 제 1의 분기점에서 제 1의 분리부(140-3)를 가지며, 또한 다음에 분기되는 제 2의 분기점에서도 제 2의 분리부(140-1, 140-2)를 갖고 있다.In the third embodiment, the second separation point has the first separation part 140-3 at the first branch point first branched from the
판독 주사에 의해 동일 화소군의 복수 화소가 동시에 선택되지만, 제 1의 분리부, 또는 제 2의 분리부에 의해, 동시에 선택된 화소의 어느 하나가 적층 접속 단자(118)와 접속된다.Although a plurality of pixels of the same pixel group are selected at the same time by read scanning, either one of the pixels simultaneously selected by the first separating unit or the second separating unit is connected to the stacked
도 12의 예라면, 화소가 판독될 때에 적층 접속 단자(118)에 접속되는 화소 셀 수는, 분리부를 갖지 않는 경우에 비하여 4분의1로 저감하고, 기생 용량의 저감에 의한 고속화, 또는 저전력화가 도모된다.In the example of FIG. 12, the number of pixel cells connected to the
도 12의 예에서는, 제 1의 분기점, 제 2의 분기점 함께 분리부를 갖고 있지만, 어느 한쪽이라도 상관없다.In the example of FIG. 12, although it has a separation part with a 1st branch point and a 2nd branch point, either may be sufficient.
예를 들면, 제 1의 분기점만으로 분리부를 배치한 경우는, 출력 신호선(116)의 총 기생 용량을 2분의1로 저감시킬 수 있다.For example, when the separation part is provided only by the first branch point, the total parasitic capacitance of the
제 2의 분기점만으로 분리부를 배치한 경우는, 2개소의 제 2의 분기점에 배치된 4개의 스위치의 어느 하나를 접속함으로써, 접속되는 화소 셀 수를 4분의1로 저감할 수 있다.When the separation unit is arranged only by the second branch point, the number of connected pixel cells can be reduced to one quarter by connecting one of four switches arranged at two second branch points.
제 1의 분기점부터 제 2의 분기점까지의 배선의 기생 용량이, 제 2의 분기점 이후의 기생 용량에 대해 충분히 작은 경우는, 제 1의 분기점의 분리부(140-3)를 생략하여도, 거의 동등한 효과를 얻을 수 있다.When the parasitic capacitance of the wiring from the first branch point to the second branch point is sufficiently small with respect to the parasitic capacitance after the second branch point, even if the separation part 140-3 of the first branch point is omitted, Equivalent effect can be obtained.
역으로, 제 1의 분기점부터 제 2의 분기점까지의 배선의 기생 용량이 큰 경우는, 제 1의 분기점에도 분리부를 갖는 것이 바람직하다.Conversely, when the parasitic capacitance of the wiring from the first branch point to the second branch point is large, it is preferable that the first branch point also has a separation portion.
<6. 제 4의 실시 형태><6. Fourth embodiment>
도 13은, 본 발명의 제 4의 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(고체 촬상 소자)의 제 1의 반도체층에서의 화소, 적층 접속 단자, 및 분리부의 배치예를 도시하는 도면이다.FIG. 13 is a diagram showing an arrangement example of pixels, stacked connection terminals, and separation units in the first semiconductor layer of the CMOS image sensor (solid-state image sensor) according to the fourth embodiment of the present invention.
도 14의 A 내지 D-3는, 제 4의 실시 형태에 관한 화소, 적층 접속 단자, 및 분리부의 배치예를 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.14A to 14D are diagrams for specifically describing arrangement examples of the pixel, the laminated connection terminal, and the separation unit according to the fourth embodiment.
도 13의 화소 어레이부(110D)는, 화소 셀이 6×6의 매트릭스 형상으로 배치되어 있다.In the
그리고, 도 13에서는, 한 예로서 4×4의 화소 셀군(GRP)이 하나의 적층 접속 단자(118)를 공유하고 있는 경우의 배치예를 도시하고 있다.In FIG. 13, an example of arrangement in the case where the 4x4 pixel cell group GRP shares one stacked
가장 먼 화소까지의 배선 길이를 최소화하기 위해, 적층 접속 단자(118)는 4×4화소 셀의 화소군(GRP)의 중앙 부근에 배치하는 것이 바람직하다.In order to minimize the wiring length to the furthest pixel, the
또한, 제 1의 분리부(140-3)가 배치되는 제 1의 분기점은, 도 14의 A에 도시하는 바와 같이, 그 화소군(GRP)의 중앙 부근에 배치하는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable to arrange | position the 1st branching point in which the 1st isolation | separation part 140-3 is arrange | positioned near the center of the pixel group GRP as shown to A of FIG.
또한, 도 14의 B에 도시하는 바와 같이, 제 1의 분기점에 의해 분리된 각각의 화소군(GRP)에 대해, 그 중앙 부근에 제 2의 분기점의 제 2 분리부(140-1, 140-2)가 배치된다.As shown in FIG. 14B, for each pixel group GRP separated by the first branch point, the second separation parts 140-1 and 140-of the second branch point near its center. 2) is arranged.
마찬가지로, 도 14의 C에 도시하는 바와 같이, 제 2의 분리부(140-1, 140-2)에 의해 분리된 각 화소군(GRP)의 중앙 부근에, 제 3의 분기점의 제 3의 분리부(140-4)가 배치된다.Similarly, as shown in FIG. 14C, the third separation of the third branch point is near the center of each pixel group GRP separated by the second separation units 140-1 and 140-2. Part 140-4 is disposed.
결과적으로, 도 14의 D에 도시하는 바와 같은 분리부의 배치와 출력 신호선(116)이 되는 구성이, 배선 용량이나 배선 저항을 최소화하는데 바람직하다.As a result, the arrangement as shown in D of FIG. 14 and the configuration serving as the
단, 트랜지스터의 배치나 배선의 혼잡도에 의해 엄밀하게 중앙으로 한하는 것이 아니고, 가능한 범위에서 중앙 부근에 배치하면 충분한 효과를 얻을 수 있다.However, it is not limited to the center strictly by the arrangement of transistors and the congestion degree of wiring, and sufficient effect can be acquired by arrange | positioning in the vicinity of center as much as possible.
또한, 도 14의 D-2에 도시하는 바와 같이, 분리 수단의 배치에 대해 주기성을 고려하여, 분리 수단이 배치되어 있지 않은 부분에 더미 소자로서의 더미 트랜지스터(DMT)를 배치하는 것이 바람직하다.As shown in D-2 of FIG. 14, it is preferable to arrange the dummy transistor DMT as a dummy element in a portion where the separation means is not disposed in consideration of the periodicity with respect to the arrangement of the separation means.
각 화소 셀의 트랜지스터 형성에 있어서, 주기성을 유지함으로써 수광 소자나 트랜지스터의 특성이 균일화되고, 고정 패턴 노이즈의 발생을 억제한다.In transistor formation of each pixel cell, by maintaining the periodicity, the characteristics of the light receiving element and the transistor are made uniform, and generation of fixed pattern noise is suppressed.
또한, 도 14의 D-3에 도시하는 바와 같이, 일부의 분기점에서의 분리부를 생략하고, 더미 트랜지스터(DMT)로 치환하여도 상관없다.In addition, as shown to D-3 of FIG. 14, you may abbreviate | omit the isolation | separation part in some branching point, and may replace with the dummy transistor DMT.
이 예에서는, 제 2의 분리부(140-1, 140-2) 대신에 더미 트랜지스터(DMT)가 배치되어 있다.In this example, dummy transistors DMT are disposed in place of the second separation units 140-1 and 140-2.
도 15는, 분기점의 분리부의 스위치와 더미 트랜지스터가 주기성을 유지하도록 소자 배치되어 있는 예를 도시하는 도면이다.FIG. 15 is a diagram showing an example in which elements are arranged so that the switch and the dummy transistor of the separation portion of the branch point maintain periodicity.
도 15의 A 및 B는, 도 14의 D-3에 상당한 회로도로서 분기점의 분리부의 스위치와 더미 트랜지스터가 주기성을 유지하도록 소자 배치되어 있다.A and B in FIG. 15 are circuit diagrams corresponding to D-3 in FIG. 14, and the elements are arranged so that the switch and the dummy transistor of the separation portion at the branch point maintain periodicity.
도 15의 B의 더미 트랜지스터(DMT)는, 한 예로서 분리부의 스위치를 형성하는 종속 접속된 2개의 NMOS 트랜지스터(NT1, NT2)의 게이트와 드레인, 소스를 접지시켜서 구성되어 있다.The dummy transistor DMT of FIG. 15B is constructed by grounding the gates, the drains, and the sources of two cascaded NMOS transistors NT1 and NT2 which form a switch of a separation section as an example.
도 16은, 분기점의 분리부의 스위치와 더미 트랜지스터가 주기성을 유지하도록 소자 배치되고, 또한, 더미 트랜지스터가 소정의 기능을 갖는 예를 도시하는 도면이다.FIG. 16 is a diagram showing an example in which elements are arranged so that the switch and the dummy transistor of the separation portion of the branch point maintain periodicity, and the dummy transistor has a predetermined function.
도 16에 도시하는 바와 같이, 더미 트랜지스터(DMT)가 어떠한 기능을 갖도록 구성하는 것도 가능하다.As shown in Fig. 16, the dummy transistor DMT can be configured to have any function.
도 16의 예에서는, 더미 트랜지스터(DMT)를 소스 팔로워의 정전류원(I1)으로서 기능시키고 있다.In the example of FIG. 16, the dummy transistor DMT functions as the constant current source I1 of the source follower.
구체적으로는, NMOS 트랜지스터(NT1)의 소스가 접지되고, NMOS 트랜지스터(NT2)의 드레인이 출력 신호선(116)에 접속되고, 양 NMOS 트랜지스터(NT1, NT2)의 게이트가 바이어스 전압(Vb)용 전원에 접속되어 정전류원(I1)이 구성되어 있다.Specifically, the source of the NMOS transistor NT1 is grounded, the drain of the NMOS transistor NT2 is connected to the
도 17은, 4×4의 화소 셀로 적층 접속 단자를 공유하는 경우의 레이아웃예를 도시하는 도면이다.17 is a diagram illustrating a layout example in the case of sharing the laminated connection terminals with 4x4 pixel cells.
4×4의 화소 셀로 적층 접속 단자(118)를 공유하는 경우, 예를 들면 도 17에 도시하는 바와 같이, 분리부(140)를 화소 셀(110A)의 간극에 배치하는 것이 가능하다.In the case where the
특히, 트랜지스터 배치면과는 반대의 면으로부터 광조사를 하여 광전 변환하는 이면 조사형의 이미지 센서나, 배선층보다도 위에 광전 변환막을 형성하는 이미지 센서에서는, 수광부의 면적을 축소하는 일 없이 분리부를 배치하는 것이 가능하다.In particular, in the back-illumination type image sensor which irradiates light from the surface opposite to the transistor arrangement surface and performs photoelectric conversion, or in the image sensor which forms the photoelectric conversion film on the wiring layer, the separation part is arranged without reducing the area of the light receiving portion. It is possible.
<7. 제 5의 실시 형태><7. Fifth Embodiment>
도 18은, 본 발명의 제 5의 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(고체 촬상 소자)의 제 1의 반도체층과 제 2의 반도체층의 적층 구조예를 도시하는 도면이다.FIG. 18 is a diagram showing an example of the laminated structure of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer of the CMOS image sensor (solid-state image sensor) according to the fifth embodiment of the present invention.
제 1의 반도체층(200)은, 실리콘(Si) 기판(p형 웰)(201)상에 배선층(202)이 형성되어 있다.In the
Si 기판(201)에는, 광전 변환부(PD)(111)로서의 n형 확산 영역(2011)이 형성되고, 광전 변환부(111)의 표면부(배선층(202)과의 경계부)에는 p+확산 영역(2012)가 형성되어 있다.An n-
Si 기판(201)에는, 그 표면부에 FD의 n+확산 영역(2013), 분리부(140)의 스위치용 트랜지스터의 n+확산 영역(2014)이 복수 형성되어 있다.In the
배선층(202)에는, SiO2 등의 절연층 내에, 각 트랜지스터의 게이트 배선(2021), 신호 전파용 배선(2022)이 형성되고, 또한 그 표면부에는 Cu 등에 의해 형성되는 마이크로 패드(2023)가 형성되어 있다.In the
그리고, 배선층(202)에는, 분리부(140)의 n+확산 영역(2014)을 마이크로 패드(2023)와 접속하기 위한 비어(VIA)(2024)가 형성되어 있다.In the
제 2의 반도체층(210)은, Si 기판(211)상에 배선층(212)이 형성되어 있다.In the
Si 기판(211)에는, 표면부에 트랜지스터의 확산 영역(2111, 2112)이 형성되어 있다.In the
배선층(212)에는, SiO2 등의 절연층 내에, 각 트랜지스터의 게이트 배선(2121), 신호 전파용 배선(2122)이 형성되고, 또한 그 표면부에는 Cu 등에 의해 형성되는 마이크로 패드(2123)가 형성되어 있다.In the
그리고, 배선층(202)에는, 확산 영역(2111) 등을 마이크로 패드(2123)와 접속하기 위한 비어(VIA)(2124)가 형성되어 있다.In the
도 18의 CMOS 이미지 센서(고체 촬상 소자)(100E)는, 트랜지스터 및 배선층과는 반대의 반도체면에 광전 변환부(111)를 형성하고, 이면에서 광조사를 하는 이미지 센서이고, 적층 접속 단자(118)로서 마이크로 범프(BMP)를 이용한 예이다.The CMOS image sensor (solid-state image sensor) 100E of FIG. 18 is an image sensor which forms the
이미지 센서(100E)는, 제 1의 반도체층(200)의 배선층(202)의 표면부와 제 2의 반도체층(210)의 배선층(212)의 표면부를 대향시켜서 마이크로 패드(2023)와 마이크로 패드(2123)를 마이크로 범프(MBP)로 접속되어 있다.The
<8. 제 6의 실시 형태><8. Sixth embodiment>
도 19는, 본 발명의 제 6의 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(고체 촬상 소자)의 제 1의 반도체층과 제 2의 반도체층의 적층 구조예를 도시하는 도면이다.FIG. 19 is a diagram showing an example of the laminated structure of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer of the CMOS image sensor (solid-state image sensor) according to the sixth embodiment of the present invention.
본 제 6의 실시 형태에 관한 이미지 센서(100F)가 제 5의 실시 형태에 관한 이미지 센서(100E)와 다른 점은, 마이크로 범프를 이용하지 않고, 최상위의 배선으로서의 마이크로 패드(2023)와 마이크로 패드(2123)가 직접 접속되어 있는 것에 있다.The difference between the
<9. 제 7의 실시 형태><9. Seventh embodiment>
도 20은, 본 발명의 제 7의 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(고체 촬상 소자)의 제 1의 반도체층과 제 2의 반도체층의 적층 구조예를 도시하는 도면이다.FIG. 20 is a diagram showing an example of the laminated structure of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer of the CMOS image sensor (solid-state image sensor) according to the seventh embodiment of the present invention.
본 제 7의 실시 형태에 관한 이미지 센서(100G)가 제 6의 실시 형태에 관한 이미지 센서(100F)와 다른 점은, 다음과 같다.The difference between the
본 이미지 센서(100G)에서는, 제 1의 반도체층(200)의 배선층(202)의 표면측에 제 2의 반도체층(210)의 Si 기판(211)이 배치되어 있다.In this
그리고, 제 2의 반도체층(210)의 배선층(212)의 마이크로 패드(2123)와 제 1의 반도체층(200)의 배선층(202)의 마이크로 패드(2023)가 제 2의 반도체층(210)을 관통하는 스루홀 비어 전극(213)에 의해 접속되어 있다.The
또한, 제 2의 반도체층(210)의 배선층(212)의 배선(2122)과 제 1의 반도체층(200)의 배선층(202)의 배선(2022)이 제 2의 반도체층(210)을 관통하는 스루홀 비어 전극(214)에 의해 접속되어 있다.In addition, the
<10. 제 8의 실시 형태><10. 8th Embodiment>
도 21은, 본 발명의 제 8의 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(고체 촬상 소자)의 제 1의 반도체층과 제 2의 반도체층과 제 3의 반도체층의 적층 구조예를 도시하는 도면이다.FIG. 21 is a diagram showing an example of the laminated structure of the first semiconductor layer, the second semiconductor layer, and the third semiconductor layer of the CMOS image sensor (solid-state image sensor) according to the eighth embodiment of the present invention.
본 제 3의 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(100H)는, 제 1의 반도체층(200)과 제 2의 반도체층(210)과 제 3의 반도체층(230)의 적층 구조를 갖는다.The
제 3의 반도체층(220)은, Si 기판(221)상에 배선층(222)이 형성되어 있다.In the
Si 기판(221)에는, 표면부에 트랜지스터의 확산 영역(2211, 2212)이 형성되어 있다.In the
배선층(222)에는, SiO2 등의 절연층 내에, 각 트랜지스터의 게이트 배선(2221), 신호 전파용 배선(2222)이 형성되고, 또한 그 표면부에는 Cu 등에 의해 형성된 마이크로 패드(2223)가 형성되어 있다.In the
그리고, 배선층(222)에는, 확산 영역(2211)과 배선(2222), 또는 배선(2222)과 마이크로 패드(2223)와 접속하기 위한 비어(VIA)(2224)가 형성되어 있다.In the
본 이미지 센서(100H)는, 제 1의 반도체층(200)의 배선층(202)의 위에 광전 변환 막(240)이 형성되고, 제 1의 반도체층(200)의 배선(2022)과 제 2의 반도체층(210)의 배선(21222)을 제 1의 반도체층(200) 관통하는 스루홀 비어(203)로 접속되어 있다.In the
그리고, 제 2의 반도체층(210)의 배선층(212)의 마이크로 패드(2123)와 제 3의 반도체층(220)의 배선층(222)의 마이크로 패드(2223)가 제 2의 반도체층(210)을 관통하는 스루홀 비어 전극(213H)에 의해 접속되어 있다.The
또한, 배선층상의 광전 변환막으로서는, 유기계의 광전 변환막이 잘 알려지고 있다. 또한, 적층한 반도체층은 몇 층이라도 상관없다.As the photoelectric conversion film on the wiring layer, an organic photoelectric conversion film is well known. The number of stacked semiconductor layers may be any number.
이와 같이, 제 1의 반도체층(200) 내에서, 트랜지스터와는 다른 층에서 광전 변환층이 형성되어 있으면, 수광 소자의 면적을 축소하는 일 없이, 높은 자유도로 분리 수단이나 적층 접속 단자를 배치할 수 있다.As described above, if the photoelectric conversion layer is formed in a layer different from the transistor in the
또한, 신호 처리 회로나 메모리 회로를, 제 3의 반도체층의 반도체층으로서 적층되고, 적층 접속 단자(118)에 의해 접속하도록 구성하는 것도 가능하다.It is also possible to configure the signal processing circuit and the memory circuit to be stacked as the semiconductor layer of the third semiconductor layer and to be connected by the
<11. 제 9의 실시 형태><11. 9th Embodiment>
도 22는, 본 발명의 제 9의 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(고체 촬상 소자)의 제 1의 반도체층과 제 2의 반도체층의 적층 구조예를 도시하는 도면이다.Fig. 22 is a diagram showing an example of the lamination structure of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer of the CMOS image sensor (solid-state image sensor) according to the ninth embodiment of the present invention.
본 제 9의 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(100I)에서, 제 1의 반도체층(200)은 도 13과 같은 레이아웃으로써 형성되고, 제 2의 반도체층(210)에 AD 변환부(150) 및 신호 처리부(160)가 형성되어 있다.In the
도 22의 예에서는, 하나의 신호 처리부(160)가 중앙부에 배치되고, 긴 에지부(long edge parts)의 양측에 2개씩 AD 변환부(150)가 배치되어 있다.In the example of FIG. 22, one
그리고, 본 CMOS 이미지 센서(100I)에서는, 각 적층 접속 단자(118)에 병렬이 되도록 AD 변환 회로(151, 152, 153, 154)가 배치되어 있다.In the
또한, 화소 셀은, 신호 출력을 위한 증폭 회로를 갖고 있으면, 복수의 수광 소자가 증폭 회로를 공유하는 화소 공유형이나, 화소 내에 일괄 노광을 실현하는 전하 보존 영역을 갖는 화소 구성 등이라도 상관없다.In addition, as long as the pixel cell has an amplifying circuit for signal output, it may be a pixel sharing type in which a plurality of light receiving elements share an amplifying circuit, or a pixel configuration having a charge storage region for realizing collective exposure in a pixel.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 의하면, 이하의 효과를 얻을 수 있다.As described above, according to the present embodiment, the following effects can be obtained.
적층(3차원 실장)된 다른 반도체층에 접속하는 접속 단자를, 복수의 화소 셀의 증폭 회로에서 공유하는 이미지 센서에 있어서, 출력 신호선의 기생 용량의 저감을 가능하게 하고, 화소의 출력 신호의 판독의 고속화 및 저소비 전력화를 실현할 수 있다.In an image sensor in which a plurality of pixel cells share a connection terminal connected to a stacked (three-dimensionally mounted) semiconductor layer, the parasitic capacitance of the output signal line can be reduced, and the output signal of the pixel can be read. High speed and low power consumption can be realized.
또한, 간이한 스위치 회로의 추가와 배선만으로 실현할 수 있기 때문에, 이면 조사 이미지 센서나 유기 광전 변환막을 이용한 이미지 센서에 있어서, 수광 소자의 축소나 해상도의 저하에 거의 영향을 주지 않는다.In addition, since it can be realized only by adding a simple switch circuit and wiring, in the image sensor using the backside irradiation image sensor or the organic photoelectric conversion film, it hardly affects the reduction of the light receiving element and the reduction of the resolution.
적층 접속 단자나 분기점에서의 분리부를, 접속되는 화소군 중앙 부근에 배치함으로써, 기생 용량의 최소화에 의한 고속화 및 저전력화의 효과나, 배선 저항의 균일화에 의한 후단 아날로그 신호 처리 회로의 필요한 입력 전압 범위의 저감 효과가 있다.By arranging the separation section at the multilayer connection terminal and the branch point near the center of the pixel group to be connected, the required input voltage range of the rear-end analog signal processing circuit due to the effect of high speed and low power by minimizing parasitic capacitance and uniformity of wiring resistance There is a reduction effect of.
이와 같은 효과를 갖는 고체 촬상 소자는, 디지털 카메라나 비디오 카메라의 촬상 디바이스로서 적용할 수 있다.The solid-state image sensor which has such an effect can be applied as an imaging device of a digital camera or a video camera.
<12. 제 10의 실시 형태><12. 10th Embodiment>
도 23은, 본 발명의 실시 형태에 관한 고체 촬상 소자가 적용되는 카메라 시스템의 구성의 한 예를 도시하는 도면이다.It is a figure which shows an example of the structure of the camera system to which the solid-state image sensor which concerns on embodiment of this invention is applied.
본 카메라 시스템(300)은, 도 23에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(고체 촬상 소자)(100, 100A 내지 100I)가 적용 가능한 촬상 디바이스(310)를 갖는다.As shown in FIG. 23, the
또한, 카메라 시스템(300)은, 이 촬상 디바이스(310)의 화소 영역에 입사광을 유도하는(피사체상을 결상하는) 광학계, 예를 들면 입사광(상광)을 촬상면상에 결상시키는 렌즈(320)를 갖는다.Further, the
카메라 시스템(300)은, 촬상 디바이스(310)를 구동하는 구동 회로(DRV)(330)와, 촬상 디바이스(310)의 출력 신호를 처리하는 신호 처리 회로(PRC)(340)를 갖는다.The
구동 회로(330)는, 촬상 디바이스(310) 내의 회로를 구동하는 스타트 펄스나 클록 펄스를 포함하는 각종의 타이밍 신호를 생성하는 타이밍 제너레이터(도시 생략)를 가지며, 소정의 타이밍 신호로 촬상 디바이스(310)를 구동한다.The driving
또한, 신호 처리 회로(340)는, 촬상 디바이스(310)의 출력 신호에 대해 소정의 신호 처리를 시행한다.In addition, the
신호 처리 회로(340)에서 처리된 화상 신호는, 예를 들면 메모리 등의 기록 매체에 기록된다. 기록 매체에 기록된 화상 정보는, 프린터 등에 의해 하드 카피된다. 또한, 신호 처리 회로(340)에서 처리된 화상 신호를 액정 디스플레이 등으로 이루어지는 모니터에 동화로서 투영된다.The image signal processed by the
상술한 바와 같이, 디지털 카메라 등의 촬상 장치에서, 촬상 디바이스(310)로서, 선술한 촬상 소자(100, 100A 내지 100I)를 탑재함으로써, 저소비 전력으로, 고정밀한 카메라를 실현할 수 있다.As described above, in an imaging device such as a digital camera, by mounting the above-described
본 발명은 2010년 9월 3일자로 일본특허청에 특허출원된 일본특허원 제2010-197734호를 우선권으로 주장한다.The present invention claims priority of Japanese Patent Application No. 2010-197734 filed with the Japan Patent Office on September 3, 2010.
당업자라면, 하기의 특허청구범위 또는 그 등가의 범위 내에서, 설계상의 필요 또는 다른 요인에 따라, 상기 실시의 형태에 대한 여러 가지 변형예, 조합예, 부분 조합예, 및 수정예를 실시할 수 있을 것이다.Those skilled in the art can carry out various modifications, combinations, partial combinations, and modifications to the above embodiments, depending on design needs or other factors, within the scope of the following claims or equivalents thereof. There will be.
100, 200 : 고체 촬상 소자 110 : 화소 어레이부
110A : 화소 회로 120 : 행 선택 회로(화소 구동부)
130 : 판독 회로 140, 140-1 내지 140-3 : 분리부
150 : AD 변환부 160 : 신호 처리부
111 : 광전 변환 소자 112 : 전송 트랜지스터
113 : 리셋 트랜지스터 114 : 증폭 트랜지스터
115 : 선택 트랜지스터 116, 116-1, 116-2 : 출력 신호선
117 : 증폭 회로 118 : 적층 접속 단자
119 : 전류원(바이어스 트랜지스터, 부하 MOS)
200 : 제 1의 반도체층 210 : 제 2의 반도체층
220 : 제 3의 반도체층 300 : 카메라 시스템
310 : 촬상 디바이스 320 : 구동 회로
330 : 렌즈 340 : 신호 처리 회로100, 200: solid-state imaging device 110: pixel array portion
110A: pixel circuit 120: row selection circuit (pixel driver)
130:
150: AD converter 160: signal processor
111: photoelectric conversion element 112: transfer transistor
113: reset transistor 114: amplifying transistor
115:
117
119: current source (bias transistor, load MOS)
200: first semiconductor layer 210: second semiconductor layer
220: third semiconductor layer 300: camera system
310: imaging device 320: drive circuit
330
Claims (18)
상기 복수의 반도체층을 전기적으로 접속하기 위한 복수의 적층 접속부와;
광전 변환부와 신호 출력부를 갖는 화소 셀이 2차원 형상으로 배열된 화소 어레이부; 및
상기 화소 셀의 신호 출력부에 의한 신호가 전파되는 출력 신호선를 포함하며,
상기 복수의 반도체층은, 적어도 제 1의 반도체층과 제 2의 반도체층을 포함하고,
상기 제 1의 반도체층에서, 복수의 상기 화소 셀은 2차원 형상으로 배열되고, 상기 복수의 화소 셀로 형성되는 화소군의 신호 출력부는 상기 적층 접속부로부터 배선되는 출력 신호선을 공유하고, 상기 출력 신호선은, 상기 적층 접속부로부터 분기되는 개소의 전부 또는 일부에서, 임의의 분기된 각 출력 신호선을 분리할 수 있는 분리부를 갖는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.A plurality of stacked semiconductor layers;
A plurality of laminated connection portions for electrically connecting the plurality of semiconductor layers;
A pixel array unit in which pixel cells having a photoelectric conversion unit and a signal output unit are arranged in a two-dimensional shape; And
An output signal line propagated by a signal output unit of the pixel cell;
The plurality of semiconductor layers include at least a first semiconductor layer and a second semiconductor layer,
In the first semiconductor layer, the plurality of pixel cells are arranged in a two-dimensional shape, and the signal output portion of the pixel group formed of the plurality of pixel cells shares an output signal line wired from the stacked connection portion, and the output signal line is And a separation part capable of separating any branched output signal lines at all or a part of the branch branched from the laminated connection part.
상기 적층 접속부는, 상기 적층 접속부에 접속되는 출력 신호선을 공유하는 화소군 중앙 부근에 배치되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.The method of claim 1,
And the laminated connecting portion is disposed near the center of the pixel group sharing the output signal line connected to the laminated connecting portion.
상기 분리부는, 분기점 이후의 출력 신호선에 접속되는 상기 신호 출력부를 갖는 화소군 중앙 부근에 배치되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.The method of claim 1,
And the separating portion is disposed near the center of the pixel group having the signal output portion connected to the output signal line after the branch point.
상기 화소 어레이부의 상기 화소 셀의 2차원 배열 내에, 상기 분리부와 같은 구성을 가지며 출력 신호선에 접속되지 않는 더미 소자가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.The method of claim 1,
And a dummy element arranged in the two-dimensional array of the pixel cells of the pixel array unit and having a configuration similar to that of the separation unit and not connected to an output signal line.
상기 분리부의 2차원적인 배치가 주기적이 되도록, 상기 더미 소자가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.The method of claim 4, wherein
And the dummy element is arranged such that the two-dimensional arrangement of the separator is periodic.
상기 제 1의 반도체층에는, 상기 화소 어레이부의 화소 셀을 구동하는 화소 구동부가 배치되고,
상기 적층 접속부를 공유하는 상기 화소군은, 행렬 모두 2화소 이상의 2차원 배열이고, 상기 화소 구동부에서 동시 병렬적으로 선택되는 상기 화소 셀의 신호 출력부가 접속되는 출력 신호선은, 상기 분리부를 통하여 상기 적층 접속부에 접속되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.The method of claim 1,
In the first semiconductor layer, a pixel driver that drives pixel cells of the pixel array unit is disposed,
The pixel group sharing the stacked connection portion is a two-dimensional array of two or more pixels in a matrix, and an output signal line to which the signal output portion of the pixel cell selected simultaneously and in parallel in the pixel driver is connected to the stacked portion through the separation portion. It is connected to a connection part, The solid-state image sensor characterized by the above-mentioned.
상기 화소 셀에서, 복수의 광전 변환부가 하나의 전압 신호 출력부에 접속되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.The method of claim 1,
And said photoelectric conversion section is connected to one voltage signal output section in said pixel cell.
상기 전압 신호 출력부는,
게이트 단자에 광전 변환부에서 얻어진 신호가 입력되고, 드레인 단자에 전원, 소스 단자에 출력 신호선이 접속되는 증폭 트랜지스터를 포함하고,
상기 제 1의 반도체층측, 또는, 상기 제 2의 반도체층측에 배치되는 정전류원이 출력 신호선에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.The method of claim 7, wherein
The voltage signal output unit,
A signal transistor obtained from a photoelectric conversion section is input to a gate terminal, and an amplifying transistor connected to a power source and a source signal terminal to a drain terminal;
A constant current source arranged on the side of the first semiconductor layer or on the side of the second semiconductor layer is connected to an output signal line.
상기 증폭 트랜지스터의 소스 단자는, 선택 트랜지스터를 통하여 상기 출력 신호선에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.The method of claim 8,
A source terminal of the amplifying transistor is connected to the output signal line via a selection transistor.
상기 제 1의 반도체층은, 트랜지스터 및 배선층이 형성되는 측의 반대면으로부터 조사되는 광을 수광 가능한 수광 소자가 가지는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.The method of claim 1,
The said 1st semiconductor layer has the light-receiving element which can receive the light irradiated from the opposite surface of the side in which a transistor and a wiring layer are formed, The solid-state image sensor characterized by the above-mentioned.
상기 제 1의 반도체층은, 배선층과, 상기 배선층상에 형성된 수광 소자로서의 광전 변환막를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.The method of claim 1,
The first semiconductor layer includes a wiring layer and a photoelectric conversion film as a light receiving element formed on the wiring layer.
상기 적층 접속부는, 상기 제 1의 반도체층의 최외층에 배치된 마이크로 패드와, 상기 제 2의 반도체층에서의 상기 마이크로 패드에 대응하는 위치의 최외층에 배치된 마이크로 패드가, 마이크로 범프를 통하여 접속된 단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.The method of claim 1,
The laminated connection portion includes a micro pad disposed at the outermost layer of the first semiconductor layer and a micro pad disposed at the outermost layer at a position corresponding to the micro pad in the second semiconductor layer via the micro bumps. And a connected terminal.
상기 적층 접속부는, 상기 제 1의 반도체층의 최외층에 배치된 마이크로 패드와, 상기 제 2의 반도체층에서의 상기 마이크로 패드에 대응하는 위치의 최외층에 배치된 마이크로 패드가 직접 접합된 단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.The method of claim 1,
The laminated connection part may include a terminal in which a micro pad disposed at an outermost layer of the first semiconductor layer and a micro pad disposed at an outermost layer at a position corresponding to the micro pad in the second semiconductor layer are directly bonded to each other. Solid-state imaging device comprising a.
상기 적층 접속부는, 상기 제 1의 반도체층과 상기 제 2의 반도체층의 양쪽 또는 어느 한쪽의, 반도체층 또는 절연층을 관통하여 형성된 콘택트 비어를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.The method of claim 1,
The laminated connecting portion includes a contact via formed through the semiconductor layer or the insulating layer in both or one of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer.
상기 제 2의 반도체층은, 복수의 아날로그 디지털(AD) 변환부 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.The method of claim 1,
The second semiconductor layer includes a plurality of analog to digital (AD) conversion unit means.
복수의 상기 AD 변환부는, 각 적층 접속부와 병렬이 되도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.16. The method of claim 15,
A plurality of said AD conversion parts are arrange | positioned so that it may become parallel with each laminated connection part. The solid-state image sensor characterized by the above-mentioned.
신호 처리 회로 및 메모리 회로의 적어도 한쪽이 제 3의 반도체층 또는 그 이후의 반도체층으로서 적층된 반도체층에 형성되고, 상기 적층 접속부에 의해 접속되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.The method of claim 1,
At least one of the signal processing circuit and the memory circuit is formed in a semiconductor layer laminated as a third semiconductor layer or a subsequent semiconductor layer, and is connected by the laminated connection portion.
상기 촬상 소자에 피사체상을 결상하는 광학계; 및
상기 촬상 소자의 출력 화상 신호를 처리하는 신호 처리 회로를 포함하며,
상기 고체 촬상 소자는, 적층된 복수의 반도체층과, 상기 복수의 반도체층을 전기적으로 접속하기 위한 복수의 적층 접속부와, 광전 변환부와 신호 출력부를 갖는 화소 셀이 2차원 형상으로 배열된 화소 어레이부와, 상기 화소 셀의 신호 출력부에 의한 신호가 전파되는 출력 신호선를 포함하며,
상기 복수의 반도체층은, 적어도 제 1의 반도체층과 제 2의 반도체층을 포함하고,
상기 제 1의 반도체층에서, 복수의 상기 화소 셀은 2차원 형상으로 배열되고, 상기 복수의 화소 셀로 형성되는 화소군의 신호 출력부는, 상기 적층 접속부로부터 배선되는 출력 신호선을 공유하고, 상기 출력 신호선은, 상기 적층 접속부로부터 분기되는 개소의 전부 또는 일부에서, 임의의 분기된 각 출력 신호선을 분리할 수 있는 분리부를 갖는 것을 특징으로 하는 카메라 시스템.A solid-state imaging device;
An optical system for forming an image of a subject on the imaging device; And
A signal processing circuit for processing an output image signal of the imaging device,
The solid-state imaging device includes a pixel array in which a plurality of stacked semiconductor layers, a plurality of stacked connection portions for electrically connecting the plurality of semiconductor layers, and pixel cells having a photoelectric conversion section and a signal output section are arranged in a two-dimensional shape. And an output signal line through which a signal propagates by a signal output unit of the pixel cell,
The plurality of semiconductor layers include at least a first semiconductor layer and a second semiconductor layer,
In the first semiconductor layer, the plurality of pixel cells are arranged in a two-dimensional shape, and the signal output portion of the pixel group formed of the plurality of pixel cells shares an output signal line wired from the stacked connection portion, and the output signal line Has a separation part capable of separating any branched output signal lines at all or a part of a branch branched from the laminated connection part.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant |